北斗復(fù)現(xiàn)式擴(kuò)展定位系統(tǒng)在交通隧道內(nèi)應(yīng)用研究

李瀟陽

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

根據(jù)交通運(yùn)輸部2022 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全國公路隧道總長2.6 萬km，隧道營運(yùn)安全一直是交通管理部門高度關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著導(dǎo)航的普及，因隧道定位信號的丟失導(dǎo)致普通用戶無法實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)的無縫定位及導(dǎo)航功能，影響出行體驗(yàn)。同時(shí)，在隧道內(nèi)因衛(wèi)星定位信號的丟失導(dǎo)致管理部門對“兩客一?！钡戎攸c(diǎn)營運(yùn)車輛無法實(shí)時(shí)監(jiān)管，發(fā)生車輛異?；蛑卮蠼煌ㄊ鹿蕰r(shí)不能及時(shí)準(zhǔn)確定位車輛位置，給事故應(yīng)急處理帶來很大困難。因此，提升隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位精度并降低建設(shè)成本，以實(shí)現(xiàn)更多的服務(wù)價(jià)值是很有必要的。

1 研究目標(biāo)

目前隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)的機(jī)制大多跟軌衛(wèi)星定位相似，通過對在軌導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)時(shí)模擬，對傳輸鏈路進(jìn)行多普勒補(bǔ)償，編組導(dǎo)航電文后播發(fā)出與導(dǎo)航衛(wèi)星信號一致的模擬衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航終端的定位與導(dǎo)航功能。由于隧道北斗定位系統(tǒng)尚未完全成熟與普及，不同實(shí)現(xiàn)路徑導(dǎo)致建設(shè)成本與定位精度均有較大區(qū)別。

本文研究分析國內(nèi)幾類典型的隧道北斗定位系統(tǒng)實(shí)施方案，并提出相關(guān)優(yōu)化建議，為后續(xù)交通隧道內(nèi)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的建設(shè)提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)支持。

2 研究意義

目前國內(nèi)試點(diǎn)的交通隧道項(xiàng)目衛(wèi)星定位系統(tǒng)整體精度不高，距離主流導(dǎo)航軟件車道級導(dǎo)航與車路協(xié)同所需的車道級乃至亞米級定位精度還有較大差距。通過提升交通隧道內(nèi)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精度，可以更好地為交通管理與出行賦能。

本文梳理以下幾點(diǎn)隧道內(nèi)高精度定位可以提供的服務(wù)價(jià)值：

2.1 為駕乘人員提供隧道內(nèi)的無縫定位及導(dǎo)航服務(wù)

依托隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)定位信號全覆蓋、提升導(dǎo)航路徑準(zhǔn)確度，提高駕乘人員的出行感受與出行服務(wù)體驗(yàn)。

2.2 為管理部門提供“兩客一?！钡戎攸c(diǎn)營運(yùn)車輛的無縫定位與監(jiān)管

依托隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以避免“兩客一危”等重點(diǎn)營運(yùn)車輛進(jìn)入隧道后定位信號丟失問題，實(shí)現(xiàn)對“兩客一?！钡戎攸c(diǎn)營運(yùn)車輛進(jìn)入隧道后的行駛位置、行駛速度、行駛軌跡、超速等狀態(tài)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)管，保證隧道交通運(yùn)營安全[1]。

2.3 為管理部門提供運(yùn)維與人員的準(zhǔn)確位置

依托隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)，管理部門能時(shí)刻掌握運(yùn)維車輛、運(yùn)維人員位置與行動軌跡，在應(yīng)急情況下，根據(jù)事件位置可以快速向就近運(yùn)維車輛和人員下達(dá)指令，進(jìn)行快速搶修和運(yùn)行維護(hù)。

2.4 為管理部門提供隧道內(nèi)事件、事故的準(zhǔn)確定位

依托隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)，管理部門能準(zhǔn)確掌握交通事故與異常事件發(fā)生位置，可根據(jù)定位信息快速向就近救援車輛和人員下達(dá)指令，進(jìn)行快速救援與處置。

2.5 為管理部門提供隧道內(nèi)設(shè)備資產(chǎn)的定位

傳統(tǒng)的隧道人員和資產(chǎn)定位系統(tǒng)主要通過UWB系統(tǒng)測量標(biāo)簽與基站之間的距離，隧道內(nèi)需要花費(fèi)較高代價(jià)搭建UWB 系統(tǒng)。

依托隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如果隧道衛(wèi)星基站單點(diǎn)定位精度可以提高至亞米級，管理部門就可對具備北斗/GPS 信號接收功能的定位設(shè)備、主流品牌攝像機(jī)、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)單元等設(shè)備或設(shè)備箱進(jìn)行精確定位，通過隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)功能擴(kuò)展低成本替代傳統(tǒng)UWB系統(tǒng)的功能。

3 研究設(shè)計(jì)

目前隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)普遍采用授時(shí)管理中心+室內(nèi)衛(wèi)星定位基站+衛(wèi)星接收/發(fā)射天線的方案，系統(tǒng)原理相近，方案細(xì)節(jié)的不同會導(dǎo)致系統(tǒng)綜合定位能力差別也較為明顯，本節(jié)將分別從天線間距、授時(shí)精度、基站功能、應(yīng)用拓展、主流系統(tǒng)設(shè)備指標(biāo)幾個(gè)部分進(jìn)行分析。

3.1 天線間距對系統(tǒng)定位精度的影響

隧道衛(wèi)星基站接收來自授時(shí)管理中心的在軌導(dǎo)航衛(wèi)星星歷、時(shí)間數(shù)據(jù)，模擬并生成導(dǎo)航衛(wèi)星信號；信號發(fā)射天線用于播發(fā)室內(nèi)衛(wèi)星基站所生成的導(dǎo)航衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星信號在隧道內(nèi)的覆蓋。

天線布設(shè)間距對系統(tǒng)的整體定位精度影響最大，天線密度很大程度上決定了定位的精度，目前隧道主流的天線布設(shè)間距為30m～50m，沿隧道行車通道單側(cè)布置。天線間距過遠(yuǎn)導(dǎo)致目前隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)整體定位精度大多位于10～20m 區(qū)間，無法滿足車道級定位的需求。

室內(nèi)衛(wèi)星基站與天線的組合形式主要分兩種：一種為基站與天線一對一形式；一種為基站與天線一拖多形式。

基站天線一對一形式的優(yōu)點(diǎn)在于基站和天線可以采用一體化設(shè)計(jì)，設(shè)備安裝與組網(wǎng)都較為簡單，缺點(diǎn)在于基站成本較高，考慮建設(shè)成本基站與天線布設(shè)間距較大。

基站天線一拖多形式優(yōu)點(diǎn)在于基站和天線分離式設(shè)計(jì)，基站與天線可以采用1∶4、1∶6、1∶8、1∶10 靈活配比，信號發(fā)射天線成本遠(yuǎn)低于基站，采用一拖多形式既保證天線布設(shè)密度，又極大縮減系統(tǒng)建設(shè)成本，缺點(diǎn)在于基站與天線采用點(diǎn)對點(diǎn)射頻線纜連接，綜合布線施工難度較大。

目前主流天線布設(shè)形式大多為隧道單側(cè)布設(shè)，導(dǎo)致橫向定位精度較差無法判斷車輛所處車道。根據(jù)項(xiàng)目測試隧道內(nèi)天線采用之字形交錯布設(shè)更為科學(xué)，在實(shí)現(xiàn)精確縱向定位的同時(shí)，可以通過交錯布設(shè)的天線采用差分定位判斷車輛所屬車道，更加精確支撐車路協(xié)同與車道級導(dǎo)航的需求[2]。

綜上所述，結(jié)合國內(nèi)多個(gè)項(xiàng)目分析，建議交通隧道內(nèi)基站與天線布設(shè)模式為基站天線采用一拖多配比（經(jīng)濟(jì)性較高的配比為1∶8 或1∶10），天線間距按不大于20m 間距之字形布設(shè)，天線采用右旋圓極化（RHCP）賦型天線減少多徑效應(yīng)并提升信號穩(wěn)定性，基本可以滿足車路協(xié)同與車道級導(dǎo)航的精度需求。

3.2 授時(shí)精度對系統(tǒng)定位精度的影響

授時(shí)管理中心需要實(shí)時(shí)保證系統(tǒng)與真實(shí)在軌衛(wèi)星的絕對時(shí)間一致，并且接收衛(wèi)星定位系統(tǒng)管理工作站下發(fā)的指令，實(shí)時(shí)向衛(wèi)星定位系統(tǒng)管理工作站上傳系統(tǒng)內(nèi)各室內(nèi)衛(wèi)星基站的狀態(tài)信息以及衛(wèi)星健康情況。

授時(shí)管理中心的系統(tǒng)形式?jīng)Q定了時(shí)間同步精度，目前交通隧道的授時(shí)管理中心主要分為以下幾種形式：

第一種是授時(shí)中心沿著隧道行車方向縱向分布式布設(shè)形式，各授時(shí)中心通過光纖環(huán)網(wǎng)與衛(wèi)星定位管理服務(wù)器通信，同時(shí)授時(shí)中心與外場基站間采用光纖跳線連接。該方案由于僅隧道洞口的授時(shí)中心可以直連室外衛(wèi)星接收天線，其余授時(shí)中心在隧道內(nèi)分布式布設(shè)會導(dǎo)致授時(shí)不一致的情況，時(shí)間同步精度較差（見圖1）。

圖1 分布式授時(shí)中心環(huán)形組網(wǎng)示意

第二種是多組授時(shí)中心集中布設(shè)于隧道附屬用房，與隧道外場室內(nèi)衛(wèi)星定位基站采用光纖星形連接，通過星形部署方式進(jìn)行時(shí)鐘信號的同步傳輸，更好地保證同步的穩(wěn)定性，當(dāng)其中任意一個(gè)授時(shí)單元出現(xiàn)故障不影響整體的同步精度和穩(wěn)定性，同步精度較高。缺點(diǎn)是分組式授時(shí)中心硬件成本較高，且授時(shí)中心與外場基站星形連接導(dǎo)致所需光纖芯數(shù)需求量較大，綜合布線成本較高（見圖2）。

圖2 分布式授時(shí)中心星形組網(wǎng)示意

第三種是集中授時(shí)星形環(huán)網(wǎng)形式，隧道內(nèi)每3～5組室內(nèi)衛(wèi)星基站組成1 個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)內(nèi)基站與基站之間使用光纖跳線串行連接組成一個(gè)小光纖環(huán)網(wǎng)；隧道出入口附屬用房設(shè)置集中型授時(shí)中心與每組子系統(tǒng)的首尾基站相連，集中型授時(shí)中心通過星形組網(wǎng)的形式與各子系統(tǒng)通信。該方案優(yōu)點(diǎn)是每組子系統(tǒng)不相互關(guān)聯(lián)，子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)不會相互影響，缺點(diǎn)是授時(shí)中心與外場子系統(tǒng)星形連接導(dǎo)致所需光纖芯數(shù)需求量較大，基站與基站間還需通過跳線連接，綜合布線與調(diào)試成本較高[3]（見圖3）。

圖3 集中型授時(shí)中心星型環(huán)網(wǎng)示意

第四種是集中授時(shí)環(huán)形組網(wǎng)形式，在隧道出入口附屬用房設(shè)置集中型授時(shí)中心，每臺授時(shí)管理中心的1、2 光口與隧道單側(cè)洞內(nèi)第一臺室內(nèi)衛(wèi)星基站采用2芯光纖依次級聯(lián)至單側(cè)洞內(nèi)末端最后一臺室內(nèi)衛(wèi)星基站；在末端室內(nèi)衛(wèi)星基站再用2 芯光纖接入授時(shí)管理中心的3、4 光口形成環(huán)網(wǎng)。該方案性價(jià)比最高，集中授時(shí)也可以保證時(shí)間同步精度，單洞組環(huán)網(wǎng)通信也僅需4 芯光纖（見圖4）。

圖4 集中型授時(shí)中心環(huán)形組網(wǎng)示意

綜上所述，交通隧道內(nèi)較為理想的授時(shí)方案為集中授時(shí)中心+光纖環(huán)網(wǎng)通信的形式，可以在成本可控的基礎(chǔ)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)高時(shí)間同步進(jìn)度。

3.3 基站功能對系統(tǒng)兼容能力的影響

目前大部分隧道室內(nèi)衛(wèi)星定位系統(tǒng)普遍還是采用雙頻單模形式，考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性與兼容性的需求，新建衛(wèi)星定位系統(tǒng)可接收/發(fā)射的頻點(diǎn)數(shù)建議滿足三模雙頻（BDS B1、B2，GPS L1、L2，GLONASS G1），同時(shí)室內(nèi)衛(wèi)星基站單點(diǎn)模擬衛(wèi)星數(shù)建議根據(jù)可見星數(shù)量實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。

3.4 基于系統(tǒng)擴(kuò)展更豐富的應(yīng)用場景

目前交通隧道內(nèi)建設(shè)室內(nèi)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的成本還較高，因此系統(tǒng)除了兼容市面主流智能手機(jī)、車載導(dǎo)航等終端設(shè)備的定位需求外，還應(yīng)擴(kuò)展更多應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)與其他監(jiān)控系統(tǒng)的互補(bǔ)或低成本替代。

基于交通隧道的運(yùn)營管理需求，室內(nèi)衛(wèi)星定位系統(tǒng)最直接的擴(kuò)展應(yīng)用是可以替代傳統(tǒng)隧道內(nèi)UWB 人員與資產(chǎn)定位系統(tǒng)，依托室內(nèi)衛(wèi)星定位系統(tǒng)，管理部門能通過室內(nèi)衛(wèi)星基站+衛(wèi)星定位模塊替代UWB 系統(tǒng)微標(biāo)簽+微基站的組合，幫助管理部門時(shí)刻掌握運(yùn)維車輛、運(yùn)維人員位置與行動軌跡，或?qū)邆浔倍?GPS 信號接收功能的定位設(shè)備或設(shè)備箱進(jìn)行精確定位。

3.5 主流系統(tǒng)設(shè)備指標(biāo)分析

3.5.1 授時(shí)中心

授時(shí)中心對系統(tǒng)影響較大的指標(biāo)為相對同步精度與支持模擬衛(wèi)星數(shù)量。目前國內(nèi)試點(diǎn)項(xiàng)目的時(shí)鐘同步精度主要位于5～20ns 區(qū)間；支持模擬衛(wèi)星數(shù)量主要位于4～8 星區(qū)間；系統(tǒng)支持的頻點(diǎn)為雙模單頻、雙模雙頻、三模雙頻三種為主。

3.5.2 室內(nèi)衛(wèi)星基站

室內(nèi)衛(wèi)星基站對系統(tǒng)影響較大的指標(biāo)為發(fā)射功率與輸出導(dǎo)航信號路數(shù)。目前國內(nèi)試點(diǎn)項(xiàng)目室內(nèi)衛(wèi)星基站的發(fā)射功率主要位于-70～-10dBm 區(qū)間；輸出導(dǎo)航信號路數(shù)主要位于8～32 路區(qū)間。

3.5.3 衛(wèi)星接收/發(fā)射天線

考慮隧道的物理結(jié)構(gòu)特性，目前國內(nèi)試點(diǎn)項(xiàng)目的天線基本都采用右旋圓極化（RHCP）賦型天線。

4 結(jié)論

國內(nèi)目前北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)在交通隧道內(nèi)的應(yīng)用還處于起步摸索階段，無論是精度還是擴(kuò)展服務(wù)還有較大的提升空間，隨著車路協(xié)同與車道級導(dǎo)航的發(fā)展，對隧道衛(wèi)星定位系統(tǒng)在定位精度、時(shí)間同步精度、支持頻段上也提出更高的要求。

全國的長大隧道近年也在逐步引入5G 信號的全覆蓋，因此交通隧道內(nèi)建設(shè)“5G+北斗”精準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過結(jié)合5G 高速網(wǎng)絡(luò)通信和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精準(zhǔn)定位的能力，結(jié)合相關(guān)定位導(dǎo)航APP 的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)為隧道內(nèi)駕乘人員提供高精度車道級導(dǎo)航與定位服務(wù)，提升管理部門出行服務(wù)能力，同時(shí)也為自動駕駛、車路協(xié)同等落地提供不可或缺的基礎(chǔ)技術(shù)支撐。